2011.03.24. Fordulatszám szabályozott egyenáramú szervohajtás vizsgálata BMEVIVEM264 Dr. Számel László Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamos Energetika Tanszék
Készült a Társadalmi Megújulás Operatív Program Tananyagfejlesztés és tartalomfejlesztés különös tekintettel a matematikai, természettudományi, műszaki és informatikai (MTMI) képzésekre című projekt támogatásával. Kódszám: TAMOP-4.1.2-08/2/A/KMR-2009-0048 A Projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Regionális Fejlesztési Alap társfinanszírozásával valósult meg.
264 Tartalomjegyzék Tartalomjegyzék... i 1... 1 1.1 A mérés tárgya... 1 1.2 A mérés elméleti alapjai... 1 1.2.1 Az egyenáramú szervomotorok jellemzői... 1 1.2.2 A szervoerősítő jellemzői... 2 1.2.3 A szervohajtás szabályozása... 2 1.3 A mérés ismertetése... 3 1.3.1 A vizsgált hajtás fő építőelemei... 3 1.3.2 A hajtás üzembehelyezése, kezelése... 3 1.4 Mérési feladatok... 4 1.4.1 A hajtás terhelési tulajdonságainak mérése... 4 1.4.2 Az áramkorlátozás hatásának vizsgálata... 4 1.4.3 A fordulatszám és áram jelalakok vizsgálata különböző fordulatszám alapjelek mellett... 4 1.4.4 A hajtás Bode diagramjának felvétele... 4 1.5 Ellenőrző kérdések... 4 Irodalomjegyzék... 6 i
1 1.1 A mérés tárgya Egy komplett gyári hajtás szabályozástechnikai tulajdonságainak és működési határjelleggörbéinek vizsgálata. Az egyenáramú szervohajtás egy állandómágneses egyenáramú szervomotorból és egy szervoerősítőből áll. Ez utóbbi magában foglalja a motort tápláló teljesítményelektronikai kapcsolást, a szabályozó és vezérlő köröket, valamint a hajtás tápegységét. 1.2 A mérés elméleti alapjai 1.2.1 Az egyenáramú szervomotorok jellemzői Az állandómágneses egyenáramú szervomotor (1. ábra) u b belső feszültsége az w szögsebességgel, m nyomatéka pedig az i árammal arányos: (9-1) ahol a motor belső feszültsége, a nyomaték, a feszültség tényező, megadása [Vs/rad] dimenzióban szokásos, a nyomaték tényező, megadása [Nm/A] dimenzióban szokásos, w i a szögsebesség, az áram. 1. ábra: A vizsgált hajtás felépítése 1
Állandómágneses gerjesztés esetén mindkét tényező gépállandó, mivel a motorfluxus állandó. A két gépállandó azonos dimenzióban kifejezve (ami a szokásos dimenzióknál teljesül) azonos számértékű. A motor w szögsebességét a mozgásegyenlet szabja meg: (9-2) ahol a terhelő nyomaték, a tehetetlenségi nyomaték. A motor i áramát, illetve az m nyomatékát az (9-3) feszültségegyenletből lehet meghatározni, ahol a motor armatúraköri ellenállása, a motor armatúraköri induktivitása. A motor állandósult állapotbeli egyenleteit felhasználva számítható a motor fordulatszám-nyomaték jelleggörbéje:. (9-4) 1.2.2 A szervoerősítő jellemzői A szervoerősítő egy 4/4-es egyenáramú szaggató kapcsolás, amely három diszkrét feszültség kiadására képes: és. Ezek közötti nagyfrekvenciás (5-50 khz) kapcsolgatással lehet a feszültség középértékét változtatni. Az egyenáramú szervohajtásoknál az állandó kapcsolási frekvenciájú impulzusszélesség modulációt (ISZM) szokás alkalmazni. Bipoláris üzemben és között kapcsolgatunk, unipoláris üzemben vagy és között vagy és között kapcsolgatunk. Ennek megfelelően kétféle szaggató vezérlés terjedt el. Ellenütemű vezérlés esetén a, és a, tranzisztor párokat együtt, egymáshoz képest negált jellel vezérlik. A kimenő feszültség bipoláris. Alternatív vezérlés esetén a, és a, tranzisztorokat váltakozva, félperiódusnyi eltolással kapcsolják. A kimenő feszültség unipoláris jellegű. A gyakorlatban inkább az alternatív vezérlést alkalmazzák, mert ugyanakkora középértékű egyenfeszültséghez kisebb hullámosság tartozik. 1.2.3 A szervohajtás szabályozása Az egyenáramú szervohajtásoknál leggyakrabban kaszkád felépítésű többhurkos szabályozási köröket alakítanak ki. A hajtás legegyszerűbb esetben akár egyetlen áram (nyomaték) szabályozással is rendelkezhet. 2
Ilyen igény merülhet fel például robotok mozgatására használt szervohajtások esetében. A leggyakoribb a fordulatszám szabályozás alárendelt áramszabályozással. Igen elterjedt a pozíciószabályozási igény is, ahol a pozíciószabályozásnak alárendelt fordulatszám szabályozást valósítanak meg. Ilyenkor három szabályozási kör tervezésére van szükség. Az áramszabályozás megvalósítható hiszterézises áramszabályozóval is. A vizsgált hajtás egy fordulatszám szabályozott egyenáramú szervohajtás, amelynek áramszabályozása PI típusú szabályozót és ISZM modulátort tartalmaz. 1.3 A mérés ismertetése 1.3.1 A vizsgált hajtás fő építőelemei 1. Állandómágneses egyenáramú szervomotor (EZG-703.0-101 típusú): - tachométer dinamóval, ami 1000/min fordulatszámnál 9,56 V-ot ad, - M n = 3 Nm, I n = 13 A, I max = 40 A, = 0,24 Nm/A, = 0,00192 kgm 2, n max = 2500/min, - időállandók:,=3,3 ms, = 19 ms. 2. Tranzisztoros szervoerősítő az (CVT 012.3, EVIG-STROMAG típusú) - üzeme: 4/4-es, vezérlési módja: alternatív, ISZM frekvenciája: 8,5 khz, - szabályozza a motor fordulatszámát, alárendelt áramszabályozású: ez látja el a motor kommutációs határ-áram védelmét és az védelmét, ami a túlterhelés időtartamától függő áramkorlátozást valósít meg, - mind az áram, mind a fordulatszám szabályozó analóg PI típusú, - adatai: maximális feszültség középértéke: ±150 V, rövid idejű maximális áram: ±20 A, tartós terhelhetőséghez tartozó áram: ±12 A. 3. A hajtás tápegysége Háromfázisú 3x380/3x110V-os leválasztó transzformátorról táplált diódás hídkapcsolás szűrőkondenzátorral és az egyenáramú tápforrás túlfeszültségét megakadályozó szabályozott ellenállásos fékkapcsolással. 4. Terhelés A hajtás terhelését egy mérlegkarral ellátott örvényáramú fékberendezés biztosítja. A hajtás nyomatéka a mérlegkarra helyezett súlyok és az erőkar alapján számolható. 5. Műszerek A motor fordulatszámának méréséhez V mérő, a motor áramának méréséhez A mérő áll rendelkezésre. A szervohajtás dinamikai tulajdonságainak vizsgálatához jelgenerátort és oszcilloszkópot használunk. 1.3.2 A hajtás üzembehelyezése, kezelése 1. Kapcsoljuk be a 220 V, 50Hz-es és a 3x380 V, 50 Hz-es hálózatot. 2. A KI-BE kapcsoló BE állásával engedélyezzük a tranzisztorok vezérlését. 3. Engedélyezzük a szabályozást. 3
4. A poteciométerrel állítsuk be a megkívánt fordulatszám alapjelet. A jelgenerátor feliratú pontokra a jelgenerátor által előállított szinuszos-, négyszög-, és háromszögjelek kapcsolhatók, melyek a potenciométer által beállított értékre szuperponálódnak. 5. Az áramkorlát potenciométerrel a tartós terhelhetőséghez tartózó áramkorlát állítható be. 6. A kikapcsolás az előbbivel fordított sorrendű. 1.4 Mérési feladatok 1.4.1 A hajtás terhelési tulajdonságainak mérése Feladat a motor M-I jellegörbéjének meghatározása, a nyomatéktényező ellenőrzése három fordulatszám értéknél, a súrlódás hatásának szétválasztása. A mérés során az örvényáramú fékberendezés által kifejtett nyomatékot mérjük. 1.4.2 Az áramkorlátozás hatásának vizsgálata Feladat a szabályozott n-i jelleggörbe felvétele minimális és maximális áramkorlát beállítás mellett. 1.4.3 A fordulatszám és áram jelalakok vizsgálata különböző fordulatszám alapjelek mellett Feladat a fordulatszám alapjel alakhű követési feltételeinek megállapítása, a maximális fordulatszám változási sebesség (dn/dt) meghatározása minimális és maximális áramkorlát beállítása esetén. A vizsgálatokat különböző középértékű fordulatszám alapjelek mellett végezzük el. 1.4.4 A hajtás Bode diagramjának felvétele A hajtás frekvenciától függő átviteli tulajdonságainak vizsgálata érdekében vegyük fel a fordulatszám szabályozási kör Bode diagramját. A szabályozók beállításához a felnyitott kör Bode diagramjára van szükség. A mérés során viszont a zárt kör Bode diagramját határozzuk meg. Feladat az amplitúdó arány és a fázistolás mérése különböző frekvenciájú szinuszos alapjelre. A mérés során a fordulatszám alapjel középértéke 0 legyen. 1.5 Ellenőrző kérdések 1. Mi jellemzi az egyenáramú szervomotorokat? 2. Milyen előnyei és milyen hátrányai vannak az egyenáramú motoros szervohajtásoknak? 3. Milyen egyenletekkel írható le egy egyenáramú motor? 4. Milyen elektronikus kapcsolással táplálható egy egyenáramú szervomotor? 5. Hogyan vezérelhető a motort tápláló elektronikus kapcsolás? 6. Milyen eltéréseket lehet tapasztalni a bipoláris és az unipoláris táplálás esetén? 7. Melyik esetben nagyobb az áram hullámossága? 8. Hogyan határozható meg a mérési eredmények alapján a motor által leadott nyomaték? 9. Miért a zárt fordulatszám szabályozási körre végezzük el a méréseket? 10. Milyen kapcsolat áll fenn a fordulatszám szabályozási kör zárt és felnyitott körének Bode diagramja között? 4
Gondolkodtató kérdések 1. Hogyan látható be az, hogy az egyenáramú motor nyomaték- és feszültségtényezője azonos dimenziójú? 2. Mely fordulatszámokon maximális az áram hullámossága a bipoláris, illetve az unipoláris táplálás esetén? 3. Közelítőleg mekkora az arány a kétféle vezérlési mód során ugyanakkora tranzisztor kapcsolási frekvencia mellett, maximális áramhullámosságnál? 4. Négyszög alakú fordulatszám alapjel esetén a fordulatszám jel túllendülését tapasztalhatjuk. Hogyan vehető ez észre a Bode diagram vizsgálatakor? 5
Léptetőmotoros hajtás vizsgálata Irodalomjegyzék [ [1] Schmidt István, Vincze Gyuláné, Veszprémi Károly: Villamos szervo- és robothajtások, Műegyetemi Kiadó, 46-67. oldal, 2000. 1] 6
267 Léptetőmotoros hajtás vizsgálata 1